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武汉大学教授黄先锋用三维数字重建技术助力文化遗产保护

云冈、敦煌的数字化再现

发布时间:    来源:人民日报海外版 

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  2008年,黄先锋(左)与团队同事在敦煌莫高窟进行三维扫描,并进行相关数据处理。

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  黄先锋带领团队对云冈第13窟整窟进行了三维建模,拍摄了海量高清影像。同时,三维展示系统还可以提供多种形式的三维模型、真实的高精度位置信息、量测工具等输出服务,从而得以为云冈文物的研究与保护提供辅助。图为团队自主研发的软件合成出云冈石窟第13窟的超高精度三维数字化模型。

  “我们对云冈石窟第13窟整窟进行了三维建模,拍摄了28.34万张高清影像,原始图像超过13TB。团队自主研发的软件合成出第13窟的超高精度三维数字化模型,并设计出若干平台应用场景。”今年10月在武汉举行的2021中国地理信息产业大会上,黄先锋代表团队所做的文化遗产数字化保护成果介绍吸引了诸多与会者的关注。

  “数字云冈”是黄先锋团队近年来持续研发的项目之一。如今,越来越多的留学归国人员加入到文化遗产保护的行列中来,而借助现代摄影测量与遥感技术,对文化遗产进行三维数字重建,正在赋予文物超越时间与空间的永恒魅力。

  “克隆”石窟

  镜头缓缓推进,云冈第13窟主佛像交脚弥勒历经时间洗礼,斑驳中仍旧神采卓然,头戴宝冠、眉眼含笑,胸前配饰隐约可见,尽显威严庄重。通高约13米的主佛像右手臂肘下,一力士四臂奋力托举,势若拔山。恍然之间,第13窟仿佛近在眼前。

  这样的画面正是由超过28万张高清图像“克隆”而成,整个石窟模型几乎无一形变。同时,三维展示系统结合了漫游展示、知识图谱信息、石窟病害标注等几项功能,还可以提供多种形式的三维模型、真实的高精度位置信息、量测工具、考古图件的输出服务,从而得以为云冈文物的研究与保护提供辅助。

  萌芽于武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室的大势智慧科技有限公司是技术提供方,黄先锋是公司创始人。他告诉记者,团队为“数字云冈”所提供的技术实现了两大突破:“一是应用便捷,手机、平板、电脑都可以作为载体;二是建立起数据防御机制,能够保证私有和共有数据的安全性。”

  “几十万张照片在两两之间会出现接缝,需要超大集群来处理接缝和色差。”从2015年第一次前往云冈石窟考察项目可行性开始,黄先锋用了3年时间才实现三维重建技术的更新,以适应云冈石窟如此大体量的数字建模需求。“没有金刚钻就不敢揽瓷器活啊。经过和云冈研究院数字中心宁波主任的大量技术交流和预研,直到2018年我们才敢真正开始实施项目。之后又是3年,到今年上半年才最终完成第13窟的验收工作。”黄先锋感慨地说。

  想要完成文化遗产的数字化真实再现,需要专注于真实世界的高精度采集、数字化重建以及三维应用等多方面软硬件关键技术开发,这也正是黄先锋团队的优势所在。“让摄影测量技术的应用变得更简单,这始终是我们创业、研发过程中的目标,目的是让大家可以像拍照一样,便捷地进行三维建模,以实景三维数据来记录世间万物,理解世界。”黄先锋说。

  缘起敦煌

  2007年,刚刚博士毕业留校不久的黄先锋接到一项特殊而难忘的任务——同十几名武大研究人员一道,在武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室教授朱宜萱的带领下前往敦煌,他们要通过激光设备对莫高窟进行三维扫描,再拍摄洞窟照片,最后进行数据处理。

  那是黄先锋第一次参与文化遗产保护工作。他已记不清自己在那段时间往返武汉与敦煌多少次,依靠如今看来显得极其寒酸的工具,一次次完成158号窟的立面摄影测量。

  然而,刚开始的测量精度低、速度慢,效果并不好。经过去噪、拼接等技术处理后,仍旧无法精准还原洞窟的色彩纹理。

  “通俗地说,二维照片是平面的,但石窟内的佛像、壁画却不是。最难的是让平面和曲面能够‘对准’,用文物贴图技术实现精准的数字化复制。”他们意识到,传统测绘技术已无法满足复杂度成倍提升的建模校准工作。想要顺利完成数字化复制,必须开发出新的建模软件。

  敦煌风沙呼啸,为便于打理,黄先锋与博士生张帆、张志超干脆剃光了头发,埋头研究起了软件工具。张帆写代码,黄先锋做调试,仨人轮换着干,经过近3个月的尝试,一款名叫“贴图大师”的软件正式诞生,它能够实现对石窟文物的高质量纹理重建,从而为数据采集扫清了技术障碍。

  经过团队一步步地扫描、测量与模型构建,两年后,复刻敦煌的构想终于成为现实,全貌3D数据得以完好展现。

  建模时空

  2011年,黄先锋前往苏黎世联邦理工大学继续从事摄影测量专业的相关科研工作。这段经历让黄先锋更深入地了解了全球范围内文化遗产的数字化保护工作,也让他开始思考一个重要命题——如何用成本更低的技术来完成文化遗产保护。

  “有些国家经费充足,文化遗产保护工作开展得早,效果也好;反之,一些国家缺乏经费和人手,文化遗产的保护现状其实很糟糕。如果相关技术成本更低廉,数字化重建的门槛也可以随之降低。”黄先锋说。

  他的确找到了办法。使用包括手机在内的便携式摄影设备,对文物进行不同方向角度的拍摄,再将照片上传至其团队开发的GET3D后台页面,等待十几分钟后就能获得文物清晰的三维建模结果,从而实现数字化保存。

  “我们将这种轻量级的三维建模技术,称之为新一代人工智能云计算三维建模引擎G-Engine2.0,用户打开手机、轻触拍照按钮,便能复刻三维世界,人人都可以建模。”相较于激光雷达扫描,这种技术使用成本低、也更易于操作。

  云冈石窟三维重建项目验收后,黄先锋与团队又马不停蹄地开始了麦积山石窟、龟兹石窟的数字重建工作。“让更多文化遗产在数字化空间实现永生,我们还有大量工作要做。数字重生不仅仅是为研究和保护,通过拓宽展示手段,我们也希望能拉近文物与公众的距离,让更多人了解文物,爱上文物。”黄先锋说。


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责任编辑:杨匀


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